Аннотация
Результаты наблюдений воздействия низких отрицательных температур на растения борщевика Сосновского (Heracleum sosnowskyi Manden.) в подзоне средней тайги (окрестности г. Сыктывкара, 61.64694444° с.ш 50.7572778).
Растения промерзали после уборки снежного покрова и снижения температур воздуха в марте-апреле. Показано негативное влияние промораживания на ростовые показатели борщевика Сосновского в естественных зарослях.
На основе предварительных результатов следует провести масштабный опыт для разработки технологии управления инвазией гигантского борщевика с помощью естественного промораживания. Метод является безопасным для окружающей среды и может быть использован на любых участках с подходящими климатическими условиями.
Введение
Во время вегетации растения борщевика Сосновского характеризуются высокой жизнеспособностью. Инвазии гигантских борщевиков обусловлены эффективным использованием ресурсов среды, высокими темпами роста, формированием плотного полога зарослей, высокой семенной продуктивностью и наличием у растений защищенного банка почек возобновления [Ecology and management…, 2007; Dalke et al., 2015, Веселкин и др., 2017].
До настоящего времени было предложено не менее восьми групп методов уничтожения зарослей гигантских борщевиков: вспашка (дискование) почвы, ручная прополка (выкопка растений), кошение, срезание (изоляция) соцветий, мульчирование (укрывные материалы), применение гербицидов, воздействие СВЧ-излучения, потрава скоту. Наиболее действенными из них являются: многократное дискование и посев замещающих культур, химическая обработка и применение укрывных материалов [Ecology and management…, 2007; Далькэ, Чадин, 2008, 2010; Малышев, 2014]. Согласно официальным данным (http://zakupki.gov.ru) в России для борьбы с H. sosnowskyi чаще всего используют кошение зарослей, вспашку почвы и обработку растений гербицидами. Однако, ликвидировать H. sosnowskyi исключительно скашиванием практически невозможно [Dalke et al., 2015]. Кошение и другие механические методы борьбы требуют значительных затрат ресурсов, высокой организации труда, тщательного контроля [Ecology and management…, 2007]. Эффективные биологические способы контроля инвазии борщевиков пока не разработаны [Резник и др., 2008].
С учетом ограничения использования пестицидов и агрохимикатов в черте населенных пунктов [Гигиенические требования…, 2016] актуальной является разработка новых безопасных методов управления численностью нежелательной растительности. При разработке новых методов следует учитывать обратить внимание на биологические особенности вида и климатические условия региона. Несмотря на высокую эффективность использования ресурсов среды и устойчивость к неблагоприятным условиям растения H. sosnowskyi подвержены отмиранию и выпадению после заморозков в бесснежный период [Александрова, 1971]. В зимний период снежный покров является естественным укрытием от низких повреждающих температур. Целью нашей работы было изучить влияния низких отрицательных температур на рост и развитие растений борщевика Сосновского естественных условиях после.
Методика
Исследования проводили в подзоне средней тайги в окрестностях г. Сыктывкара. В типичных зарослях борщевика Сосновского вдоль автодороги заложили экспериментальные участки. Высота снежного покрова на участках в среднем составляла 80 см и варьировала от 60 до 100 см.
В первую группу вошли участки, на которых полностью убирали снежный покров (опыт, n=4), на участках второй группы снежный покров оставили без изменений (контроль, n=4). На опытных участках снег очищали полностью, до поверхности земли. После выпадения осадков на опытных участках снежный покров снова до убирали.
Растения борщевика Сосновского быстро отрастают после схода снежного покрова и хорошо отличаются от других видов по форме и размерам листьев. Количество генеративных растений борщевика Сосновского прошлого года определяли по сохранившимся за зиму сухим генеративных побегам и их следам в почве, подсчитывали количество вегетирующих растений до года и старше одного года. Возрастное состояние особей оценивали по степени расчлененности листовой пластинки [Сацыперова, 1984].
Количество множественных всходов из семян борщевика Сосновского определяли в серии 10-11 выборочных измерений по двум диагоналям участка с помощью рамки площадью 0.028 м2. Все данные по учету количества растений пересчитывали на один квадратный метр участка.
Проективное покрытие борщевика Сосновского определяли по фотоснимкам при помощи программного комплекса ImageJ для обработки изображений (https://imagej.nih.gov/ij/index.html) [Конюхов, 2012].
Метеорологические данные – температура воздуха и почвы, высота снежного покрова, сумма осадков получили на сайте погоды (https://rp5.ru) и из специализированных массивов климатических данных (http://aisori.meteo.ru/ClimateR) для метеостанции г. Сыктывкара с синоптическим индексом 23804.
Для анализа данных использовали описательную статистику. Значения показателя количества растений по критерию Шапиро-Уилки имели распределение отличное от нормального, поэтому для описания выборки вместе со средними значениями использовали медиану, размах, минимальное и максимальное значение. Показатели в контроле и опыте сравнивали с помощью непараметрических тестов.
Результаты
Наблюдения за участками и состоянием растений борщевика Сосновского проводили в период с 5 марта по 10 июня 2018 г.
Во время закладки опыта (5 марта) после очистки снежного покрова высотой около 80 см, температура почвы была положительная. После выпадений осадков (7 марта) опытные участки снова расчищали от снега. За первые дня наблюдений верхний слой почвы без снежного покрытия хорошо промёрз.
Данные об изменении температуры воздуха и высоте снежного покрова представлены на рис.1.
Рис. 1. Метеорологические показатели в период проведения наблюдений за растениями Heracleum sosnowskyi (по данным ресурса «Расписание погоды» https://rp5.ru).
Согласно подсчету растений на участках, ценопопуляция, в которой были заложены опыты близка к типичным моновидовым зарослям борщевика Сосновского в условиях среднетаежной зоны. Средняя плотность генеративных растений составила 0.9 штук растений / м2 (рис. 2).
Рис 2. Плотность генеративных растений борщевика Сосновского (шт/м2) в контроле (1) и опыте (2).
Согласно критерию Краскела-Уолиса (p-value = 0.02) плотность растений старше 1-го года на опытных участках было значимо меньше, чем на контрольных участках (рис. 3).
Рис. 3. Плотность растений борщевика Сосновского (шт/м2) старше 1-го года на контрольных и опытных участках
Количество растений 1-го года жизни (проростки из семян) на опытных участках было близко к нулю (медиана = 0, среднее = 36), в то время как в контроле число проростков было близко к значениям, характерным для моновидовых зарослей гигантского борщевика (медиана = 321, среднее = 331) (рис.4). Значимость наблюдаемых различий подтверждается критерием Краскела-Уолиса (p-value << 0.001).
Рис. 4. Плотность растений борщевика Сосновского (шт/м2) первого года жизни года на контрольных и опытных участках
Приведенные данные хорошо согласуются с значимым снижением проективного покрытия (медианы: 64 % и 15 %, p-value = 0.02) и высоты растений старше 1-го года жизни (медианы: 50 см и 22 см, p-value << 0.001) на опытных участках (рис 5).
Рис 5. Высота растений борщевика Сосновского старше 1 года (А) и проективное покрытие (Б) на контрольных и опытных участках по состоянию на 10.06.2018
Таблица 1. Результаты воздействия низких температур в период покоя на популяционные показатели борщевика Сосновского (10.06.2018).
| Показатель | Контроль | Опыт | p* |
| Плотность растений старше 1-го года (медиана), шт. / м2 | 3.3 | 1.8 | 0.02 |
| Плотность растений 1-го года жизни (медиана), шт. / м2 | 321.0 | 0.0 | 4.79·10-12 |
| Высота растений старше 1-года (медиана), см | 50 | 22 | 1.68·10-5 |
| Проективное покрытие, % | 64 | 15 | 0.02 |
Примечание: * – приведено значение p по результатам теста Краскела-Уоллеса
Обсуждение
Условия перезимовки на территории Республики Коми в основном благоприятные. Несмотря на понижения температуры до – 40 °С и более, устойчивый снежный покров обеспечивает хорошую сохранность зимующих культур и растений. К концу зимы высота снежного покрова достигает своего максимального значения 60-70 см. Согласно нашим определениям в конце календарной зимы 2018 года высота снежного покрова в зарослях H. sosnowskyi была даже несколько выше среднестатистических значений характерных для умеренно-прохладного агроклиматического района Республики Коми [Агроклиматические…, 1973].
Снег характеризуется хорошими теплоизоляционными свойствами. Один сантиметр снежного покрова при минимальных температурах повышает температуру примерно на один градус. От высоты снежного покрова зависит температура почвы на глубине узла кущения озимых (3-5 см). При снижении температуры воздуха до – 20 °С и высоте снежного покрова до 10 см зимующие растения часто вымерзают. Разность между температурой почвы на уровне узла кущения и минимальной температурой воздуха в этом случае составляет около 9 °С . Известно, что снег предохраняет почву от глубокого промерзания. Суточные колебания температуры в снежном покрове проникают лишь до малой глубины около 20-30 см [Матвеев, 1984]. Снежный покров толщиной 40 см хорошо изолирует холод, а при его высоте более 75 см колебания температуры почвы почти полностью затухают. Благодаря хорошему снежному укрытию средний минимум температуры почвы на глубине 3-5 см в течение зимы составляет в пределах – 4, – 8 °С [Агроклиматические…, 1973].
Биологической особенностью борщевика Сосновского является устойчивость к низким температурам и хорошая зимостойкость. Однако, в литературе описаны случаи вымерзания растений. Например, исключительные условия потепления (до + 2.5 ºС) в декабре 1965 года спровоцировали ростовые процессы борщевиков разных видов. Последовавшее затем резкое понижение температуры при отсутствии снежного покрова привело к гибели 89% растений борщевика Сосновского, 56% – борщевика Лемана и борщевика понтийского [Александрова, 1971].
Почки возобновления борщевика Сосновского расположены на стеблекорне, погружены в почву на глубину 10-15 см и хорошо защищены от механических повреждений. В течение вегетации меристемы почек борщевика Сосновского характеризуются эффективным запасанием энергии на рост и хорошо адаптированы к изменению температуры в широком диапазоне [Маслова и др., 2018]. По нашим данным осенью (сентябрь 2018 г.) температура замерзания воды в апикальных почках борщевика Сосновского составляла около 12 градусов Цельсия [Малышев, 2018].
В благоприятных климатических условия растения борщевика Сосновского продолжают вегетировать до глубокой осени и затем переходят в состояние вынужденного покоя. Наблюдения за отрастанием гигантского борщевика при потеплении в декабре [Александрова, 1971] были подтверждены нами в опыте. Поздней осенью после перемещения взрослых особей из природных условий в лабораторию при температура около 20 ºС, освещении до 80 мкмоль/м2с фотосинтетически активной радиации и регулярном увлажнении наблюдали рост побегов, появление соцветий и созревание семян [Dalke et al., 2018 https://doi.org/10.5281/zenodo.1244757.
Таким образом, снежный покров предохраняет меристематический потенциал ценопопуляции борщевика от повреждения в период покоя. Под слоем снега семена борщевика проходят период стратификации, дозревают, чтобы сразу после таяния снега начать свой рост на «захваченной» территории. Температуры ниже минус 12 градусов Цельсия повреждают почки возобновления и почвенный банк семян борщевика Сосновского. После уборки снежного покрова весенние заморозки, перепады температур приводят к гибели молодых и зрелых растений борщевика Сосновского, существенному снижению их проективного покрытия.